点阵显示计算机和触摸屏技术 Touchscreen & LED Pixel Display

CamelliaCafe 1月前 370

特殊的中国新年,众多不能返乡的人们将在互联网络上与家人团聚,强人工智能技术的发展,将使得未来的某一天,机器人成为我们家庭的一员,与我们欢度佳节、共同生活工作。

以心相交,成其久远。让我们人类敞开自己的心扉,并触碰机器人的心灵之窗吧!


机器人如何展示自己的内心世界?

说话、发声、表情流露、肢体语言……
显示是一种最基本的方式。





精彩视频
https://www.bilibili.com/video/BV1Cz4y1U7UZ



点阵显示
LED Pixel Dispaly

1962年,美国工程师 Nick Holonyak 发明了第一种可见光发光二极管(Light-Emitting Diode),掀起了人类自 Thomas Alva Edison 发明电灯泡以来照明史的第二次革命,他因此被称为“LED之父”。 



发光二极管(Light-Emitting Diode)有两种类型:

  • 共阴极
  • 共阳极

LED点阵的显示方式是按显示编码的顺序,一行一行地显示。每一行的显示时间大约为4ms,由于人类的视觉暂留现象,将感觉到多行LED是在同时显示。如果每行每次显示的时间太短,则亮度不够;如果显示的时间太长,人们将会感觉到闪烁。



以共阳极LED为例,可以采用高电平逐行扫描,低电平输出显示信号的方式。轮流给行信号输出高电平,在任意时刻只有一行发光二极管是处于可以被点亮的状态,其他行都处于熄灭状态。当某一行加载高电平时,同时根据图形信息,控制该行每列的低电平输出信号。


模型中的点阵显示是8x8,共需要64个发光二极管组成,每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上,当对应的某一行置1电平,某一列置0电平,则相应的二极管就亮;要实现显示图形或字体,通过编程,Camellia Mini 控制器控制点阵显示屏的某一行为1电平时,各列的电平为0或1时,就可以有效地控制每个显示点的亮灭。




经典计算机或当下机器人实质上仅能识别0和1构成的信息,如果仅有0和1,机器人很难和我们交流。

如何把0和1转换为人类能够认识的数字、字母、文字和符号呢?需要采用不同的编码,即每个数字、字符、文字和符号等都对应一个数值(二进制数)。当然每个人都可以约定自己的一套编码规则,而大家如果要想互相通信而不造成混乱,那么大家就必须遵循相同的编码规则。
American Standard Code for Information Interchange 由 American National Standard Institute 制定,是一种标准的单字节字符编码方案,适用于所有拉丁文字字母。
ASCII 码使用指定的7位或8位二进制数组合来表示128或256种可能的字符。标准 ASCII 码使用7位二进制数来表示所有的大写和小写字母、数字0到9、标点符号,以及在美式英语中使用的特殊控制字符,其最高位用作奇偶校验位。

扩展 ASCII 码将最高位用于确定附加的128 个特殊符号字符、外来语字母和图形符号 。


字符
ASCII (BIN)
C
0100 0011
a
0110 0001
m
0110 1101
e
0110 0101
l
0110 1100
l
0110 1100
i
0110 1001
a
0110 0001



利用 Camellia Mini 手机程序,输入一个字母或数字吧,在 Camellia 的经典计算机模型上看看你输入的字母或数字的ASCII 码是什么?




但是世界上各国的语言远不止拉丁文字字母,因此又诞生了 Unicode, GBK 等编码,把所有语言都统一到一套编码里,为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码,以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。


既然经典计算机仅能识别0和1,那么计算机或机器人又是如何进行加减乘除运算的呢?
加法和减法就是二进制运算,逢2进1或逢2退1;乘法就是每乘2显示点左(上)移一位,相当于左(上)移运算,除法则相当于右(下)移运算。
请细看上述视频中的这个片段,Camellia 的经典计算机模型将向您展示这些二进制运算。左侧的点阵显示运算类型,右侧的8位绿色显示管就好比计算机中1个Byte(8 bits)的存储寄存器,看看加、减、乘、除运算吧。


未来的量子计算机,不仅仅有0和1这两个状态,而是同时存在多个状态,量子计算机采用量子比特 Quantum Bit ( qubit ) 进行编码和计算。一个 qubit ,可以是1,也可以是0,还可以同时是1与0的某种叠加状态,由于叠加权重的不同,这种叠加态理论上可以是无穷多的。
经典电子计算机存储电平的高低,即0或1,每次只能处理一个 bit 的状态数据。1 个 Byte 仅能在同一时间表示0至255中的一个数字。在量子计算机中,1个 quByte,可以同时表示256个数字。
因此,具有1个 quByte 的量子计算机可以同时并行256个运算,相当于256台经典计算机,或是1台经典计算机运算256次。
量子计算不管在数据存储能力还是数据处理能力上都远超经典计算机。


Organic Light-Emitting Diode 技术可以提供更加轻薄、更高亮度、更佳色彩效果的显示设备。
OLED的显示原理与传统LED基本相同,但不采用PN型半导体,而是采用有机分子产生电子和空穴等载流体。



OLED屏主要由6层构成,从上至下包括:

  • 封装层 Seal 
  • 阴极层 Negative Terminal (Cathode)
  • 发射层 Emissive 
  • 导电层 Conductive 
  • 阳极层 Positive Terminal (Anode) 
  • 基层 Substrate 

在阳极层和阴极层上施加电压后,电子向阴极层流动,阳极层失去电子(空穴向阳极层流动),电子富集在发射层,空穴富集在导电层,由于空穴载体活性较大,因此空穴载体跨越发射层和导电层的边界,向发射层移动,当空穴载体与电子相遇时,以释放光子( photon)的形式,将能量释放快速释放出来,从而实现发光。
可以在封装层或基层的加入不同材料,实现颜色滤镜,从而我们看到了不同的发光颜色,在此基础上,把成百上千个不同颜色的发光点集中在一起,并分别控制,由于这些点非常小并且紧密排列在一起,就好象一个像素点,因此实现了彩色显示。

疫情并不可怕,

我们有口罩(Mask),

我们有疫苗(Vaccine),

我们更心怀希望(Believe)!




触摸屏
Touchscreen

触摸屏是一种常见的人机接口( Human-Machine Interface )。作为机器人或电脑的一种输入设备,其通常位于显示屏上表面,可以感知触摸,并对触摸信号进行简单的处理,并将处理后的信号传输给机器人或电脑的控制器( CPU )。
我们可以通过单指触碰或是多指手势,把我们想向机器人表达的指令或信息传递给它,与它的显示形成直接的互动。




触摸屏主要有电阻屏和电容屏等几种。


- 电阻式触摸屏 -
- Resistive Touchscreen -


在电阻式触摸屏中,有顶、底两层透明电阻层,顶层和底层之间有很小的间隙(未触摸时两层间是绝缘的)。显示屏(注意是用于显示)则位于整个透明触摸屏之下。
计算机把需要显示的交互界面在底部的显示屏上显示出来,我们触碰触摸屏上的某一点,计算机通过识别该点的坐标,实现人机交互。例如显示屏上显示了小熊,我们触碰小熊鼻子的位置,计算机通过识别小熊鼻子在整个屏幕上的坐标,从而了解到我们抚摸了小熊的鼻子。
其感知的具体原理是什么呢?这里以简单的4线制电阻屏为例进行说明。


在顶电阻层中,其左、右两边沿为易导电部分( X 电极);而在低电阻层中,其上、下边沿为易导电部分( Y 电极)。在顶电阻层的 X 电极加一个直流电压,当触碰屏幕上的某一点,使得顶电阻层和底电阻层在该点接触,则在底电阻层的 Y 电极之间将可以检测到一个对应的电压值,通过计算即可以获得触摸点在 x 坐标;交替,在底电阻层的 Y 电极之间施加一个直流电压,并检测顶电阻层的 X 电极之间的电压值,可以获得触摸点在 y 坐标。综上确定了触摸点在二维空间的具体位置(x y)。

电阻式触摸屏,用铅笔或其他介质也可以触碰哦!


- 电容式触摸屏 -
- Capacitive Touchscreen -



在电容式触摸屏中,在一个绝缘体表面覆盖一层透明的导体(工作层)。
由于人体导电,当触碰触摸屏时,引起触摸屏的静电场发生变化,实际中可以通过检测电容值的变化来实现感知。

对触摸屏施加电压时,当手指或其他导体接触触摸屏时,形成了一个耦合电容,由于该工作层上接有高频信号,于是手指或其他导体吸引起了一个很小的电流流动,这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出,传感器通过测量触摸屏四个角的电容值变化(电流值),经过综合计算,可以得出具体的接触坐标。通常,检测到的电容值变化越大,则证明触摸点越靠近屏幕的边角。


电容式触摸屏,只可以利用导电介质,例如我们的手指来触碰!



牛年伊始,当我们了解了触碰机器人心灵之窗的原理,让我们开启与机器人的互动吧!







年快乐!




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